逯彩紅

（青海省育才公路勘察設(shè)計(jì)有限公司,青海 西寧 810000）

在高速公路機(jī)電工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,已形成了供配電、照明、消防、通信等眾多工程項(xiàng)目。在機(jī)電工程的設(shè)計(jì)施工時(shí),要切實(shí)按照國(guó)家頒布的相關(guān)施工規(guī)范,保證機(jī)電工程設(shè)計(jì)在各個(gè)環(huán)節(jié)中都發(fā)揮著重要作用[1-2]。與此同時(shí),目前隨著科學(xué)技術(shù)的不斷快速發(fā)展,各種新設(shè)備不斷推陳出新,需要對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行全面和充分的維護(hù),以確保施工安全。

1 項(xiàng)目概況

某高速公路段設(shè)有5 處互通立交、2 個(gè)服務(wù)區(qū)、6處收費(fèi)站（管理處）、1 處信息監(jiān)控中心。項(xiàng)目工程采用“監(jiān)控通信收費(fèi)管理中心- 路段分中心- 收費(fèi)站、通信站、服務(wù)區(qū)等”三級(jí)管理體系設(shè)計(jì),其機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的傳輸系統(tǒng)采用SDH 和綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)相結(jié)合的模式,并配備有適當(dāng)規(guī)模的外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備以及在監(jiān)控中心和分中心都設(shè)置有必要的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)等,并采取“統(tǒng)一規(guī)劃、分期實(shí)施”的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)方案。

2 交通量預(yù)測(cè)與分析

交通量預(yù)測(cè)和交通流分析在機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工中至關(guān)重要[3]。在表示交通量時(shí),某一時(shí)間段的代表交通量通常采用該時(shí)間段的交通量平均值。年平均日交通量（AADT）的計(jì)算公式如下：式中：Qi為第i 天的交通量。

3 總體設(shè)計(jì)方案

作為高速公路運(yùn)營(yíng)管理必不可少的交通工程設(shè)施,高速公路機(jī)電系統(tǒng)能使道路通行能力得到充分發(fā)揮,使高速公路的管理效率得到最大限度的提高[4]。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目的監(jiān)控系統(tǒng)外場(chǎng)設(shè)備方案的設(shè)計(jì),具體的外場(chǎng)設(shè)備配置情況見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)外場(chǎng)設(shè)備數(shù)量表（單位：套）

基于視頻事件的深度學(xué)習(xí)技術(shù),在管理監(jiān)控中心設(shè)置一套事件檢測(cè)系統(tǒng)（含軟硬件）,實(shí)現(xiàn)逆行、停車(chē)、擁堵、交通事故等事件的預(yù)警；事件檢測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)劃分警報(bào)的優(yōu)先級(jí),從而避免出現(xiàn)同一事件的多次重復(fù)警報(bào)。事件檢測(cè)子系統(tǒng)的主要軟、硬件技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 事件檢測(cè)子系統(tǒng)主要軟、硬件技術(shù)性能指標(biāo)

3.2 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)全線鋪設(shè)有1 根12 芯光纖傳輸干線和1 根32 芯接入網(wǎng)單模光纜,接入網(wǎng)占用4 芯光纖。根據(jù)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的不同要求,每個(gè)ONU 設(shè)備依次配備了模擬用戶(hù)接口板、2Mb/s 接口板、10Mb/s 和100Mb/s接口板。監(jiān)控光纜組成自愈環(huán)對(duì)圖像進(jìn)行獨(dú)立傳輸,避免對(duì)主通信光纜的占用。在為沿線各個(gè)站點(diǎn)提供電話服務(wù)的同時(shí),光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)還需為監(jiān)控和收費(fèi)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和圖像傳輸通道。此外,還需采用OTDR進(jìn)行雙向監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)光纖接續(xù)測(cè)試,OTDR 雙向監(jiān)測(cè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 OTDR 雙向監(jiān)測(cè)圖

將端部成好后的尾纖直接與光萬(wàn)用表的發(fā)送端或接收端相連接；每根測(cè)試光纖一端分別發(fā)送、接收光信號(hào),另一端則對(duì)光信號(hào)進(jìn)行接收、發(fā)送,并對(duì)收發(fā)功率值進(jìn)行記錄；全程衰減值即為匯總兩端記錄的值與接收到的光功率的相減值。圖2 即為光纖線路衰減“插入法”測(cè)試示意圖。

圖2 光纖線路衰減“插入法”測(cè)試圖

一般來(lái)說(shuō),對(duì)于均質(zhì)光纖,光纖衰減性能的好壞可采用衰減系數(shù)即單位長(zhǎng)度的衰減來(lái)反映。衰減A（λ）、衰減系數(shù) α （λ ）定義如下：

式中：L 為光纖上1、2 兩點(diǎn)距離；p1（λ ）、p2（λ）分別為1、2 兩點(diǎn)的光功率。

3.3 收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)前,封閉式高速公路的收費(fèi)系統(tǒng)一般采用通行票或通行卡的模式,通過(guò)通行票或通行卡的使用對(duì)車(chē)輛進(jìn)行標(biāo)記識(shí)別。在高速公路出口收費(fèi)站,根據(jù)通行證（通行票或通行卡）上記錄的車(chē)輛進(jìn)入高速公路的入口收費(fèi)站和進(jìn)入時(shí)間等信息對(duì)車(chē)輛進(jìn)行收費(fèi)[5]。

收費(fèi)站的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遵照IEEE802 系列標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP 協(xié)議,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖3 為本項(xiàng)目匝道收費(fèi)站的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖3 匝道收費(fèi)站計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

WINDOWS2000 等標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)可植入移動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)中,配合使用收費(fèi)系統(tǒng)專(zhuān)用軟件,可實(shí)現(xiàn)完整的封閉式高速公路收費(fèi)功能,包括刷讀IC 卡、軟件自動(dòng)計(jì)算通行費(fèi)金額、自動(dòng)打印收費(fèi)票據(jù)等等。自動(dòng)欄桿機(jī)、車(chē)道信號(hào)燈、雨棚信號(hào)燈等收費(fèi)車(chē)道外圍設(shè)備的控制功能,可通過(guò)外設(shè)接口控制器（選配）和系統(tǒng)自帶的串接端口（RS232）實(shí)現(xiàn)。

4 機(jī)電工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

高速公路的正常運(yùn)營(yíng)需要機(jī)電系統(tǒng)作為重要硬件基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行支撐,科學(xué)、客觀地評(píng)價(jià)機(jī)電系統(tǒng)各子系統(tǒng)與其整體技術(shù)情況,關(guān)系到制定和選擇高速公路運(yùn)營(yíng)管理的決策[6]。

4.1 路網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

路網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造以充分發(fā)揮現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)施的效能為核心,同時(shí)適當(dāng)?shù)貙?duì)不足之處進(jìn)行補(bǔ)充,與現(xiàn)代技術(shù)手段相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)“可視、可測(cè)、可控、可管、可服務(wù)”的智能化高速公路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行監(jiān)控與應(yīng)急響應(yīng)平臺(tái)系統(tǒng),使高速公路的運(yùn)營(yíng)管理水平、服務(wù)水平和應(yīng)急響應(yīng)能力得以提升。視頻檢測(cè)器檢測(cè)精度高,可以獲取視覺(jué)圖像,并將圖像與監(jiān)控中心的監(jiān)視器相連接,可以直觀地實(shí)時(shí)顯示交通流信息,包括交通流量、車(chē)速、車(chē)輛類(lèi)型等。對(duì)比分析高速公路的視頻檢測(cè)器和微波檢測(cè)器數(shù)據(jù),得到檢測(cè)器精度分析結(jié)果分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 視頻檢測(cè)器不同檢測(cè)環(huán)境下準(zhǔn)確度對(duì)比分析

從上面的圖4 和圖5 可以看出,在一定程度上,視頻檢測(cè)器的精度相較微波檢測(cè)器更優(yōu),而微波檢測(cè)器難以像視頻檢測(cè)一樣具有視覺(jué)監(jiān)控功能,也不能記錄車(chē)輛或交通流的視覺(jué)特征。因此,要實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)全面可視化的目標(biāo),在路網(wǎng)布設(shè)檢測(cè)器選擇中應(yīng)優(yōu)先考慮視頻檢測(cè)器,以?xún)?yōu)化高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。

圖5 微波檢測(cè)器不同檢測(cè)環(huán)境下準(zhǔn)確度對(duì)比分析

4.2 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

在從當(dāng)前基于SDH 的多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)（MSTP）向基于智能光網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡時(shí),需對(duì)現(xiàn)有的已停產(chǎn)或容量較小的干線傳輸設(shè)備H 引進(jìn)行淘汰,并升級(jí)骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸水平,保證匯聚節(jié)點(diǎn)達(dá)到106 等級(jí),核心節(jié)點(diǎn)達(dá)到2.5 G 級(jí)。對(duì)于邊緣干線設(shè)備則可以暫時(shí)保持在622 M 不變,等到未來(lái)路網(wǎng)發(fā)展至有相鄰省份路段接入時(shí),再將其升級(jí)到2.5 G。通過(guò)通信系統(tǒng)資源管理系統(tǒng)的建立,統(tǒng)一管理通信設(shè)備的資源分配、信道開(kāi)通以及帶寬利用等方面。要實(shí)現(xiàn)通信資源管理系統(tǒng)的建立,需從網(wǎng)絡(luò)管理的軟硬件設(shè)備和管理制度兩個(gè)方面著手。

4.3 收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

在路網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)區(qū)域中,環(huán)形路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的存在,使得同一個(gè)出口與入口之間出現(xiàn)兩條或以上的可能行駛路徑。在同一個(gè)路網(wǎng)中,同一個(gè)出入口間有多條不同路徑存在,但現(xiàn)行高速公路收費(fèi)系統(tǒng)以最短路徑為收費(fèi)原則,只能對(duì)出入口收費(fèi)站的信息進(jìn)行識(shí)別,無(wú)法了解車(chē)輛在區(qū)間內(nèi)通過(guò)的路徑信息,因而無(wú)法確定車(chē)輛的實(shí)際行駛軌跡,即多義性路徑問(wèn)題（也稱(chēng)為二義性路徑問(wèn)題）。如圖6 所示：從A 點(diǎn)到B 點(diǎn)存在3 條可能的路徑,而3 條路徑的里程都各不同。

在聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的背景下,圖6 中的各路段可能由不同的高速公路業(yè)主方進(jìn)行運(yùn)營(yíng)管理,多義性路徑問(wèn)題可能導(dǎo)致無(wú)法對(duì)車(chē)輛按照實(shí)際行駛路徑進(jìn)行收費(fèi)和費(fèi)用分?jǐn)?使得各業(yè)主方的合法權(quán)益收到影響,抑制了實(shí)施聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)政策的順利開(kāi)展。針對(duì)當(dāng)前ETC 系統(tǒng)存在的缺陷,在技術(shù)創(chuàng)新上可利用相控陣技術(shù),通過(guò)采用相控陣ETC 天線這一代全新的路側(cè)設(shè)施來(lái)優(yōu)化ETC 系統(tǒng)。

圖6 多義性路徑示意圖

5 結(jié)論

綜上所述,公路機(jī)電工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)正逐步向信息化、現(xiàn)代化發(fā)展,因此在新時(shí)代背景下,必須做好相應(yīng)的規(guī)劃工作。在設(shè)計(jì)公路機(jī)電工程系統(tǒng)時(shí),可分別從用戶(hù)與管理者的不同角度進(jìn)行研究,對(duì)設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行思索,推動(dòng)硬件系統(tǒng)布局的完善。在不斷與網(wǎng)絡(luò)信息相融合的背景下,高速公路也應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信和信息監(jiān)控系統(tǒng),明確各方設(shè)計(jì)之間的聯(lián)系。強(qiáng)化機(jī)電工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理工作,能在保證質(zhì)量的同時(shí),又能兼顧工程變更成本與資源浪費(fèi)的減少,促進(jìn)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益總體得到提高。